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多光谱连续可调的植物种植,物联网种植系统

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基于多光谱连续可调的植物物联网培植系统
2020-10-29 14:14:33 阅读:4 发布人:纵横智控

摘要:针对海岛边防地区与“一带一路”沿线土地贫瘠地区新鲜蔬菜供应短缺的情况,结合农业种植理论与经验,运用物联网技术,分析植物生长过程中的各环节所需的环境因子,设计了一套基于多光谱连续可调的植物物联网培植系统。 利用较少的能源实现了常见蔬菜的培植和保鲜。 通过封闭培植实验验证该系统可以不依赖土地满足极端环境下一定的蔬菜供应和植物培植需求,缩短种植周期,提高农业种植效率。


Abstract:The plant IOT Intelligent cropping system is designed based on the theory and experience of agricultural cultivation,analyzing the environmental factors needed in the process of plant growth and using IOT technology.The system can cultivate and preserve common vegetables only using less energy.It is proved that the system can meet the needs of vegetable supply,shorten planting period and improve agricultural efficiency without land by doing closed experiments.


近年来,随着物联网技术、智能传感技术的发展,农业物联网技术也得到了快速发展。 以植物工厂为代表的智能农业生产系统发展最为迅速, 国内外的许多研究人员都对其进行了深入研究,李东星等。

在植物工厂中运用了营养液无菌化循环技术;朱舟等在 LED 植物光源阵列方式对植物生长的研究。 许多国家地区也大力发展了温室植物培植技术,荷兰、英国和日本等国家已经能熟练应用计算机物联网技术和传感器技术对温室中的各项环境指标如温度、湿度、二氧化碳浓度、pH 值、营养液、空气等进行精确的控制,并能进行远程监控和控制。 我国在温室植物培植技术上起步较晚,但近些年发展迅速,2010 年,京鹏植物工厂在我国通州建立了一座大型植物工厂, 形成了一整套温室系统培植方案。本文将农业种植经验与计算机物联网技术有效融合, 设计出一种基于多光谱连续可调的植物物联网培植系统, 通过实践种植证明,该系统模块化程度高、节能节水、不依赖土地和气候,能快速布置和投入生产, 可以很好地运用在需要一定量新鲜蔬菜供应的地区。


一、系统功能分析

针对实际运用区域存在土壤贫瘠、水资源匮乏、空间小等问题,对此设计的植物生长物联网培植系统包含无线环境检测系统、智能环境调控系统、智能安防系统、基于太阳能的能源供应系统以及大数据的植物生长函数数据库,如图 1 所示,其中各个系统都采用模块化设计,可以根据实际需求进行增减,便于后期维护。

 1)植物的生长受多种环境因素影响,如光照强度、温湿度、露点、二氧化碳浓度、营养含量等,还会受到虫害影响。 本系统通过设计对上述环境因子的准确监控, 基于传感器收集的实时数据,上传至云端数据中心供系统做出相应决策和反馈。

 2)针对种植区域与管理区域分离时无法及时管理种植环境的问题,设计了智能调节系统使管理员能利用 PLC 触摸屏对各

执行机构的现场控制和利用电脑端和手机 APP 端对各执行 机构的远程控制。 

3)为保障种植过程中人员的财产安全,设计了智能安防系统,在室内安装烟雾传感器、声光报警器、门磁与人体红外传感

器,遇到突发紧急情况时能配合声光报警器联动报警。

 4)针对海岛区域与贫瘠区域缺乏电力供应等情况,设计了基于太阳能的能源供应系统,包含太阳能电池板、蓄电池组。 系统中的太阳能电池板的设计可根据种植的规模来定义, 光照情况下可供系统正常运行和蓄电池储电, 晚上可使用蓄电池电力维持系统运行,此外系统设计了多个电源接口,能进行混合能源供应,保持系统的能源供应稳定。 

5)为了使管理人员能经过简单培训即可使用培植系统,设计了植物生长函数数据库, 这是整个执行机构与作物生长控制的枢纽,其中包含大量作物的各阶段生长环境参数,所有参数均对应智能调节系统中的各执行机构,从而达到联动调控的功能,另外预留接口供管理人员与农业专家进行自主添加农业种植数据,达到传统农业与现代物联网技术的融合。


二、系统框架及功能设计

植物培植系统中除上位机编程外, 最重要的部分为下层控制系统的搭建和实现,如图 2 所示,植物培植控制系统主要分为两大块: 第一块为 PLC 控制器结合可编程触摸屏的现场控制,该部分可直接根据开发的触摸屏人机界面对现场环境参数实时查看 和 控 制 ; 第二块分为两个部分 , 第一部 分 对 PLC采用RS485 总线协议进行编程,连接集成 RS485 协议的 Wi-Fi 网关模块,进而与协调器进行双向信息传递,该部分包含有多光谱连续可调系统、现场环境在线监测系统,可以对光照色谱强度、温湿度、CO2 浓度等环境因子进行监测和调节;第二部分对 ZigBee 模

块进行电路设计,形成特有功能的无线监测节点,该节点模块可对接光敏模块、烟雾传感器、门磁、继电器、温湿度模块和土壤温湿度模块等,通过 ZigBee 与协调器形成双向通讯,该部分包含有远程环境参数调控系统、安防报警系统等,最后通过协调器组网与云端数据库的对接,形成一整套完善的植物培植控制体系。

功能设计流程图

图 2 功能设计流程图


接下来对基于 PLC 的多光谱连续可调系统,基于物联网植物生长函数库参数调控系统和软件架构设计等方面进行设计分析。 2.1 基于 PLC 的多光谱连续可调系统传统人工光源基本使用高压钠灯或荧光灯, 光谱能量单一固定,只能控制其光强和光照时间,而植物生长的各阶段对光谱与光强的需求是不同的, 传统光源在应用过程中就存在有效辐射比例低、光效低、耗能高[7]等问题,因此采用光强与光谱均可调节的光源是一个良好的解决方法。本系统采用了 LED 灯板、 光源驱动器和 PLC 结合的控制模式,能对光谱和光强进行准确连续的调控。 本系统中核心部件

为灯板, 灯板中应用了 R、G、B 三基色 LED 灯珠, 该灯珠是将红、绿、蓝三种基色的光源集中在一颗微小的灯珠中,如图 3 所 示,每个灯珠有 3 组引脚,分别为三种基色灯的正负极,通过给每组引脚通电可以分别点亮相应的颜色, 通过改变每组引脚的电流大小可以使其亮度得以相应改变, 三种基色亮度混合不同比例可以调节出不同的颜色。 如图 4 所示为三基色 LED 灯做成LED 灯板, 该灯板一共有 6 条 RGB 灯条和 3 条 UV 灯条组成,

功能设计流程图

图 3 RGB 三原色灯珠实物图


每条 RGB 灯条有 8 颗 RGB 灯珠组成,其中每颗灯珠的功率为3W, 植物生长所需光照能完全由 RGB 灯珠供给,UV 紫外灯起到辅助杀菌的和补光的功效。

功能设计流程图

图 4 LED 灯板实物图


整个灯板中 RGB 灯珠可以提供的最大光通量 覫 可以表示为: =Ki×P×CU ×Mf 

式(1)中,Ki 为光 视 效 能,P 为灯 珠 总 功 率,CU为光 照 利 用系数,Mf 为维护系数(利用维护系数根据试验条件测试而得,若灯板四周被镜面材料所包围,则利用系数较高;反之如采取开放式,则 利 用 系 数 则 较 低),其 中 Ki=351m / W,CU=0.8,Mf=0.4 则相应产生的光通量为:

=35×3×8×6×0.8×0.4=1612.81m

每个 RGB 灯条功率为 24W, 每个 UV 灯条功率为 5W,则灯板的总功率为: 

P=24×6+5×3=169W

在通常情况下 LED 光源发光亮度与通过其电流是成线性比例关系,为使蔬菜工厂中光照参数设置准确可靠,则要求 LED驱动电源能够提供恒定的电流, 因此采用可调节的恒流源作为LED 灯的驱动电源是最佳选择。根据计算每块灯板红、绿、蓝、紫外每种灯光的功率和电流选用驱动电源如表 1 所示:

 1 LED 灯的驱动电源选型

功能设计流程图


针对该型号驱动器,PLC 能利用 D / A 输出功能将每个颜色对应 0~10V 模拟量输出 0~100%,分别准确输出各光色的各个强度,经过光色融合形成各类色谱和强度的光照,充分满足植物在生长各个阶段所需的光照条件。 

2.2 基于物联网植物生长函数库参数调控系统整个培植系统所有的数据都存储在云端数据中心中, 利用服务器与各终端进行交互达到远程智能控制的目的, 而整体系统能正常运行和有效调节各环境参量使植物能正常高效生长是

十分关键的,这就需要合理的数据库参数设计、各节点协调合作和准确的信息反馈。

采用构建普遍适应的植物生长特有函数库与底层硬件执行机构对接并融合现有物联网技术可以实现不同区域, 不同植物的快速生产种植, 该方法既可将特定区域的传统种植经验实例化为各项环境参数种植方案, 也可直接调用现有的植物生长函数库种植方案,使经验农业与现代农业融合,如图 5 所示,为植物生长函数数据库调节流程。

功能设计流程图


图 5 植物生长函数数据库调节流程

其中, 植物函数数据库底层对接解决了如何将执行参数转化为硬件执行调控这一问题, 而多环境参数的综合调控是一个较为复杂的问题, 植物函数数据库的上层则需解决多环境参数下的各环境变量之间的函数关系问题,如何生成执行参数。 以温度和湿度双环境变量的调控为例,在环境控制过程中,温度和湿度两者有一定的耦合关系,会互相依赖变化,影响到调控的准确性。 这就需要在调控温度和湿度两个变量时考虑到它们之间的函数关系,采用解耦的办法,

如图 6 所示,引入 R1、R2 两个解耦

环节,将温湿度控制分别形成为:

温度输出:T=(1-R1 )×Mt+R1×Mh (3) 

湿度输出:H=(1-R2 )×Mb+R2×Mt (4)

引入 R1、R2 两个解耦


式(3)(4)中,R1 与 R2 为温度与湿度对各自调节过程中 影响比例 (由周围实际环境决定),R1+R2=1;Mt 为设定温度参数,Mh 为设 定 湿 度 参 数;T 为最 终 系 统执 行 参 数,H 为最 终 系 统 执 行 参数。在实际植物培植过程中,存在大量的环境参数调节的耦合现象, 种植区域不同设定的参数也会不同, 如光照强度与二氧化碳

浓度的调节关系, 植物不同种植阶段所需要的环境参数情况也会不同。

植物生长函数数据库会将类似函数进行封装, 将此类算法设置于上位机中,在调控过程中,根据种植人员输入的参数进行算法综合处理得到最终的执行参数并发送给各执行节点, 完成相应环境参数的调控, 尽可能的满足实种植情况下的环境参数要求。

2.3 系统软件架构设计

如图 7 所示,整 个 系 统 中 最重要的部分为协调器, 协调器的软件设计简洁高效, 可以最大化地保证协调器的稳定性及传输效率。在协调器软件设计过程中,采用多重自检测防错机制,分别在开机初始化、组网初始化、接收数据过程中进行协调器检测反馈,如有错误则会进行报错。

系统软件架构设计


三、系统搭建与测试分析

按照种植系统设备设计框架搭建了小型种植系统以验证系统的可行性,如图 8 所示,采用立体式架构设计,LED 灯板设置两层,LED 驱动器全部置于框架顶层便于维护,下方 35cm 处放置营养土托盘,此处经测试光照效率最高,托盘中设置水循环滴灌设备,培植用水储存于底层水箱中,各型号传感器安置于框架之间,PLC 控制器与协调器安装于合适高度便于管理人员使用,各类数据线通过框架线槽与 PLC 和协调器连接,最后进行设备调试,可稳定运行。

种植系统实物图

 8 种植系统实物图

此次试验选择培植生菜,首先对生菜种子进行出芽培养如图9 所示,然后将幼苗放置于托架中,设置光照强度、温湿度、施水时间间隔、光照间隔、紫光杀虫时间等参数开启设备进行培植。

生菜出芽培养实物图

 9 生菜出芽培养实物图

经过 38 天生长成如图 8 中第二层架所示生菜实物,验证设备能通过调节参数形成蔬菜正常生长的环境, 并能提升蔬菜的生长效率。

四、结束语

本文的物联网植物生长培植系统在土壤元素检测, 土壤元素及微生物添加中还有一些不足。 下一步研究将围绕如何智能检测土壤元素和准确调节土壤的营养含量展开, 进一步提高物联网植物生长培植系统的智能化水平和作物种植效率。